Расчет подогревателя воды выхлопными газами ГТД
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет авиационных двигателей Кафедра авиационной теплотехники и теплоэнергетики Расчетно-графическая работа Расчет подогревателя воды выхлопными газами ГТД Группа ТЭМ-505. Для… Читать ещё >
Расчет подогревателя воды выхлопными газами ГТД (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет авиационных двигателей Кафедра авиационной теплотехники и теплоэнергетики Расчетно-графическая работа Расчет подогревателя воды выхлопными газами ГТД Группа ТЭМ-505
Студент Азнабаева А.З.
Уфа 2014
1. Расчет подогревателя воды выхлопными газами ГТД Исходные данные:
= 5,267 кг/с — расход газа в межтрубном пространстве;
= 624 K (351оC) — температура газа на входе в теплообменник;
= 113 000 Па — давление на срезе сопла на входе в теплообменник;
= 116,3 — скорость газа на срезе сопла ;
Fc = 0,062 м2 (? = 0,28 м) — площадь сопла на срезе;
= 101 325 Па — давление за теплообменником;
= 327 К (54оC) — температура газа за теплообменником;
= 4· 105 Па — давление воды (температура кипения Тк =143оС);
= 10оС — температура воды на входе в теплообменник;
= 110оС — температура воды на выходе из теплообменника;
= 0,09 м/с — скорость воды в трубках;
= 0,0148 м — наружный диаметр трубок;
= 0,0002 м — толщина металла стенки трубок;
= 0,25 м — толщина стального листа оребрения трубок;
= 0,001 м — зазор между ребрами;
=0,001+0,25=0,125 м — шаг оребрения;
?металла = 16 Вт/(мК) — коэффициент теплопроводности металла.
2. Схема теплообменника Расположение трубок шахматное.
число ходов воды, принято =2, число ходов газа, принято = 1.
Рис. 1. Схема ходов теплоносителей Расчет геометрии пучка трубок Задаемся: диагональным шагом трубок и параметром .
Шаг трубок поперечный:
= 1,7· 0,0148=0,2 516 м.
Шаг трубок продольный
=м.
Высота ребра по ходу газа
==0,635 м.
Высота ребра поперечная
== 0,518 м.
Примем среднюю высоту ребра как
=0,559 м.
Осредненный диаметр выдавок в оребрении для обеспечения зазора между пластинами
.
Коэффициент загромождения фронта теплообменника трубками и оребрением (штыри — выдавки вне узких сечений)
=0,329.
Рис. 2. Геометрия пучка труб и оребрения
3. Расчет передаваемой теплоты в теплообменнике по падению температуры газа
=5,267· 1051,4·(624−327)=1 644 704 Вт, где =1004,8· (1+0,229·(351+54)/2)= =1051,4 Дж/(кгК).
Требуемая эффективность теплообменника по исходным параметрам (по минимальному водяному эквиваленту теплоемкости секундного расхода)
===0,871.
Потребный расход воды
==3,928 кг/с.
Средняя температура воды
== 333 К (60 оС).
Средняя температура газа
==475,5 К (202,5 оС).
Рис. 3. Противоточная схема течения теплоносителей Среднелогарифмический температурный напор для чистой противоточной схемы
=115,8 оС.
Для выбранной схемы теплообменника вводится поправка
где ==2,97, ==0,29 .
Из графика рис. 4 по R=2,97 и P= 0,29 находится =0,76.
Рис. 4. Зависимость поправки? от параметров P и R и от схемы течения теплоносителей Точное значение? рассчитывается по формуле
=
==0,93.
Среднелогарифмический температурный напор перекрестной схемы
=115,8· 0,93= 107,7 оС.
Число Рейнольдса в трубках
=2776,9,
где принимаем из таблиц, либо по формуле (при tв=60 оС)
= 4,667· 10-7 м2/с, где = =0,06.
Таблица 1 Зависимость теплофизических свойств воды от температуры
Pr | ||||
— 0,0852 | 13,0 | 0,569 | ||
0,0823 | 9,28 | 0,587 | ||
0,2067 | 6,94 | 0,604 | ||
0,3056 | 5,39 | 0,618 | ||
0,389 | 4,3 | 0,632 | ||
0,4623 | 3,54 | 0,643 | ||
0,5288 | 2,96 | 0,654 | ||
0,59 | 2,53 | 0,662 | ||
0,6473 | 2,2 | 0,670 | ||
0,7018 | 1,94 | 0,676 | ||
0,752 | 1,75 | 0,683 | ||
0,808 | 1,6 | 0,685 | ||
0,864 | 1,47 | 0,686 | ||
0,919 | 1,37 | 0,686 | ||
0,972 | 1,26 | 0,685 | ||
Число Нуссельта в трубах
==23,1
где выбираем из таблицы в зависимости от температуры воды tв (при tв =60 оС значение =2,96); выбирается из таблицы в зависимости от температуры стенки трубки tw (в первом приближении ==131,25оС, тогда значение =1,36).
Коэффициент теплоотдачи в трубах
==1049,1 ,
где =0,654 выбирается из таблицы по температуре воды;
=0,0144 м — внутренний диаметр трубок.
Для определения общей длины трубок в первом приближении примем температуру стенки трубки 5= 131,255=126,25оС (за счет оребрения), тогда из формулы для теплового потока через общую площадь внутри трубок в виде получим выражение для площади внутри трубок
==23,66 м2,
где =126,25оС.
Общая длина трубок внутренним диаметром =0,0146 м
==523 м.
По расходу воды и ее скорости определим число трубок на вход воды (площадь сечения одной трубки)
==268,1(принято 270 трубок).
Длина изогнутой трубки от входа к выходу на =2 (число ходов)
== 1,94 м.
Высота теплообменника при 2 ходах трубок (=2)
==0,97 м.
Число трубок в 1 ряду фронта при числе рядов по ходу газа m (в первом приближении принято m=6)
==45.
Ширина теплообменника по фронту
=45· 0,2 516=1,1 м2.
Площадь фронта
=0,97 · 1,1=1,067 м2.
Площадь проходных ячеек во фронте
=1,067· 0,329=0,351 м2.
Скорость в ячейках в узком сечении межтрубного пространства
= = 19,1 м/с, где плотность газа при этой температуре? =pсреднее/RTсреднее= =0,5(+)/(287· (202,5+273))= 0,785 кг/м3.
Коэффициент теплоотдачи в ячейках ([1], с.137)
=
==
=114,3 ,
где для газа
= =0,04 .
Prг = 0,7; г = = 34· 10-6 м2/с .
Проверка по формуле для течения в щели Число Рейнольдса в щели
= =1127,3 ,
где зависимость динамической вязкости от температуры
? = 20,92· 10-6 (1+0,135· t).
При средней температуре газа 202,5 оС
? = 20,92· 10-6 (1+0,135· 202,5)= 2,66· 10-5 Па· с
(< 2300, следовательно, течение ламинарное).
Среднее число Нуссельта при ламинарном течении в канале определится по формуле ([2], c. 80)
=
==3,6
Коэффициент теплоотдачи
==72.
Проверка по формуле обтекания пучка трубок в щели Число Рейнольдса по диаметру трубок в щели
= 8342,2
Для шахматного пучка труб при ReD > 1000 число Нуссельта определяется по формуле (c. 101)
=0,35· 8342,20,6=79
Коэффициент теплоотдачи
==213,5.
Принимается значение коэффициента теплоотдачи со стороны газа как среднеарифметическое от и
=0,5· (+) = 0,5· (114,3+213,5) = 163,9.
Коэффициент оребрения трубок
=
==18,1
теплообменник оребрение гидросопротивление
4. Расчет эффективности ребра Параметр ребра
==286,3,
где u периметр сечения ребра; f площадь сечения ребра (рис. 5).
Рис. 5
Для тонкого пластинчатого ребра шириной l и толщиной? периметр равен u=2(l+?), а площадь f = l·?. Так как l>>?, то величиной? можем пренебречь, тогда под корнем
.
Определяется произведение параметра на высоту ребра (где высота ребра вычислена ранее по и)
=286,3· 0,0056=1,6.
Отношение наружного радиуса круглого ребра к его внутреннему (прямоугольник со сторонами и, внутри которого окружность с наружным диаметром трубки, заменен эквивалентным кольцом с внешним диаметром +2·) определится как (рис. 6)
=
Рис. 6
По произведению параметров ребра ()=1,6 и отношению =1,76 из графиков (рис. 7) определяется эффективность ребра? 0,5
Рис. 7. Графики зависимости эффективности круглого ребра от наружного и внутреннего его радиусов
Эффективный коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве [4]
=163,9· 18,1·0,5=1483,3.
При оребрении из стали Я1Т коэффициент теплопроводности, тогда коэффициент теплопередачи (в пренебрежении кривизной тонкостенной трубки) определится по формуле [4]
=610.
Передаваемое количество теплоты через теплообменник со стальным оребрением в первом приближении
=610· 107,7·23,66=1 554 391Вт ,
что несколько не соответствует потребному Q=1 644 704 Вт.
При таком осредненная температура трубок будет равна
==123оС.
Необходимая площадь трубок для передачи необходимого =1 644 704 Вт
== 24,9 м2.
Общая необходимая длина трубок
==550м.
Отношение необходимой общей длины трубок =550 м к предварительно рассчитанной длине L?=523 м определится как
==1,05.
Зная величину ?, можно найти необходимое число рядов трубок по ходу газа mнеобх вместо принятого ранее m= 6
=6· 1,05=6,3.
Принято mнеобх=7.
Тогда суммарная площадь трубок при принятом mнеобх =7 станет равной
=23,66· =27,6 м2.
Площадь проходного сечения трубок для похода воды при переходе от 6 рядов к 7 рядам увеличится в 7/6=1,166 раз, а скорость воды уменьшится в 1,166 раз и станет равной 0,077 м/с. Соответственно уменьшится число Reв в трубках до значения
==2380.
Число для воды уменьшится до значения
==
=20,5.
Коэффициент теплоотдачи от воды уменьшится до значения
=931.
и коэффициент теплопередачи k станет равным
==568.
Необходимо проверить, соответствует ли мощность теплообменника потребной мощности
=568· 107,7·27,6=1 688 391 Вт соответствует.
5. Оценка гидросопротивлений
1. Коэффициент сопротивления пучка трубок из z =· nВ=7·2=14 рядов трубок, где =7 число рядов трубок по направлению движения газа для одного хода воды, а nВ =2 — число ходов воды.
=
=(1+14)· 8342,1-0,27=5,2,
где =1,9 коэффициент, зависящий от = 1,7; = 1,05 коэффициент, зависящий от =1,9 (выбираются по рис. 8 [1]).
Рис. 8. Зависимость коэффициентов и от геометрии пучка трубок Потери давления от обтекания пучка трубок
= 5,2· 0,785·19,12/2=737 Па.
2. От трения газа о ребра с зазором между ними? = 0,001 м
==10,65.
3. Коэффициент сопротивления для внезапного сужения =0,45, а для внезапного расширения =0,45 (выбираются по коэффициенту загромождения фронта трубками и оребрением ==0,329)
Рис. 9. Зависимость коэффициентов внезапного сужения и внезапного расширения от отношения меньшей площади к большей
Сумма коэффициентов сопротивлений от всех факторов
=5,2+10,65+0,45+0,45=16,75
Общее падение давления в теплообменнике от входа к выходу
=16,75· 0,785·19,12/2=2398 Па.
6. Проверка эффективности теплообменника методом? Ntu
По графикам для двухходового для воды и одноходового для газа перекрестного теплообменника (с. 43) находим отношение теплоемкостей секундных расходов (водяных эквивалентов) CR
CR = ===0,337.
Число единиц переноса теплоты Ntu
=
Схема теплообменника перекрестного тока Рис. 10. Зависимость от Ntu и CR для теплообменников перекрестного тока
Из графика рис. 10 по СR = =0,337 и параметру =2,66 определяется эффективность =0,85 (близко к рассчитанному ранее = 0,871).
1. Кутателадзе С. С., Боришанский В. М. Справочник по теплопередаче. Л. — М.: Госэнергоиздат, 1959. 414 с.
2. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973. 320 с.
3. Кейс В. М., Лондон А. Л. Компактные теплообменники (перевод с английского). М.: Энергия, 1967. 223 с.
4. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. Учебное пособие для вузов. М.: Энергоиздат, 1981. 416 с.